3 Программирование – программное обеспечение микропроцессорных систем управления
Микропроцессор - программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной (или нескольких) интегральной схемы с высокой степенью интеграции электронных элементов.
Микропроцессор характеризуется большим числом параметров, поскольку он одновременно является сложным программно-управляемым устройством и электронным прибором (микросхемой). Поэтому для микропроцессора важны, как тип корпуса, так и система команд процессора. Возможности микропроцессора определяются понятием архитектуры микропроцессора.
Микропроцессорная система работает с цифровой информацией, которая представляет собой последовательность цифровых кодов.
В основе любой микропроцессорной системы лежит микропроцессор, который способен воспринимать только двоичные числа (составленные из 0 и 1). Двоичные числа записываются посредством двоичной системы счисления. Например, в повседневной жизни мы пользуемся десятичной системой счисления, в которой для записи чисел используются десять символов или цифр 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Соответственно в двоичной системе таких символов (или цифр) всего два – 0 и 1.
Необходимо понимать, что система счисления – это всего лишь правила записи чисел, и выбор типа системы определятся удобством применения. Выбор двоичной системы обусловлен её простотой, а значит надёжностью работы цифровых устройств и лёгкостью их технической реализации.
Основу
микропроцессорной системы составляет
микропроцессор
(процессор), который выполняет функции
обработки информации и управления.
Остальные устройства, входящие в состав
микропроцессорной системы, обслуживают
процессор, помогая ему в работе.
Обязательными устройствами для создания микропроцессорной системы являются порты ввода/вывода и отчасти память. Порты ввода/вывода связывают процессор с внешним миром, обеспечивая ввод информации для обработки и вывод результатов обработки, либо управляющих воздействий. К портам ввода подключают кнопки (клавиатуру), различные датчики; к портам вывода - устройства, которые допускают электрическое управление: индикаторы, дисплеи, контакторы, электроклапаны, электродвигатели и т.д.
Память нужна в первую очередь для хранения программы (либо набора программ), необходимой для работы процессора. Программа - это последовательность команд, понятных процессору, написанная человеком (чаще программистом).
Структура микропроцессорной системы представлена на рисунке 1. В упрощённом виде процессор состоит из арифметически-логического устройства (АЛУ), осуществляющего обработку цифровой информации и устройства управления (УУ).
Память обычно включает постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ), являющееся энергонезависимым и предназначенное для долговременного хранения информации (например, программ), и оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для временного хранения данных.
Рисунок 4 – Структура микропроцессорной системы
Процессор, порты и память взаимодействуют между собой посредством шин. Шина – это набор проводников, объединённых по функциональному признаку. Единый набор системных шин называют внутрисистемная магистраль, в которой выделяют:
шину данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и портами;
шину адреса AB (Address Bus), используемой для адресации процессором ячеек памяти и портов;
шину управления CB (Control Bus), набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на внешние устройства и обратно.
Микропроцессорная
система управления
как числовой исполнитель способен
выполнять некоторые функционально
завершенные последовательности
действий над числами - операндами.
Эти последовательности маркируются
(обозначаются) тем же "языком"
чисел, который воспринимается устройством
управления микропроцессорных
систем управления.
Число-маркер, поставленное в соответствие
некоторой последовательности действий
микропроцессорной
системы управления
по обработке информации в рамках своей
структуры, называется кодом
операции,
а сама последовательность – командой.
Полный набор команд, которые способна выполнять микропроцессорная системы управления, носит название системы команд.
Программой называется последовательность действий конкретного элемента микропроцессорных систем управления, описанная в терминах его команд.
Таким образом, принципиальным достоинством МП является его программируемость, т.е. возможность настройки на конкретный вид преобразований входного информационного потока. Необходимое условие программируемости - возможность описать любое действие с требуемой для МП степенью детализации (до команд).
На заре возникновения вычислительной техники большую часть затрат при разработке составляли аппаратные средства. В настоящее время при создании микропроцессорных систем управления свыше 90% затрат приходится на программное обеспечение (ПО), так как совершенствовались технологии производства аппаратных средств, а труд программиста оставался таким же затратным. Поэтому одним из условий успешного внедрения микропроцессорных систем управления является наличие уже разработанного и хорошо развитого программного обеспечения под выбранный микропроцессорный комплект, которое обычно состоит из двух частей: резидентной и кросс-обеспечения.
Резидентное программное обеспечение - это совокупность программ, разработанных для конкретной микропроцессорной системы управления на языке используемого в ней процессора. К нему можно отнести:
программы самодиагностики для контроля правильности функционирования данной микропроцессорной системы управления;
прикладные программы, непосредственно реализующие функции, возлагаемые на систему пользователями (управление объектами, проектирование изделий и многое другое);
операционная система, обеспечивающая как организацию совместного функционирования всех элементов ее структуры (монитор, включающий в себя драйверы внешних устройств – программы, реализующие информационно-логическое сопряжение вычислительного устройства с ним), так и распределение ресурсов микропроцессорных систем управления между прикладными программами (процессами) пользователя (супервизорная часть);
среды
разработки программного
обеспечения, представляющие
собой комплекс программ, необходимых
для создания программного обеспечения
микропроцессорных
систем управления: текстовые
редакторы; трансляторы,
осуществляющие перевод исходного
текста программы на формальном языке
в исполняемую программу на языке
процессора; отладчики,
позволяющие различными методами
находить ошибки в разрабатываемом
программном обеспечении. При этом
средства отладки должны управлять
исполнением программы (останавливать,
изменять порядок, запускать), собирать
информацию о ходе ее выполнения,
обеспечивать диалог между программистом
и электронно-вычислительной машиной
на уровне языка программирования.
Другую большую часть программного обеспечения микропроцессорного комплекта составляет кросс-обеспечение - это совокупность программ для разработки и отладки резидентного программного обеспечения микропроцессорных систем управления на микропроцессорную систему управления с другим типом микропроцесса. К ним относятся:
текстовый редактор, обеспечивающий ввод в кросс-систему и корректировку программы пользователя на исходном языке;
интерпретатор, осуществляющие перевод программы с исходного языка в команды микропроцессорных систем управления с одновременным их исполнением;
дизассемблер - транслятор, осуществляющий обратное преобразование исполняемой программы с языка команд микропроцессорных систем управления на формальный язык – Ассемблер;
программный эмулятор, позволяющие промоделировать работу микропроцессорной системы управления и прочих аппаратных средств разрабатываемой микропроцессорной системой управления на другой электронно-вычислительной машине,
и многое другое.
Картирование памяти микропроцессорных систем управления является очень важным этапом в ее разработке и связано с распределением частей программного обеспечения в адресном пространстве запоминающего устройства микропроцессорных систем управления. Правильное картирование памяти обеспечивает не только компактность программы и, как следствие, малую долю ошибок и повышенное быстродействие исполнения, но также может привести к ограничениям на будущее совершенствование системы.
Обычно разработка целевой программы ведется по частям, каждая из которых выполняет определенную функцию. Здесь можно указать следующие блоки:
- обработки данных;
- реализации обмена между микропроцессорной системой управления и ВУ (монитор с входящими в него драйверами - подпрограммами, преобразующими формат данных при передаче их от одного вычислительного устройства или микропроцессора к другому);
- планирования, распределения и управления использованием ресурсов микропроцессорных систем управления (супервизор) и др.
Кроме того, в запоминающем устройстве микропроцессорных систем управления выделяются поля под хранение постоянной (таблицы и константы) и оперативно изменяющейся информации (рабочие ячейки). Применение подпрограмм значительно сокращает потребность в запоминающем устройстве.
Обычно
при разработке специализированной
микропроцессорной системой управления
некоторым технологическим объектом
программу работы микропроцессорных
систем управления и константную
информацию хранят в постоянном
запоминающем устройстве, сохраняющем
ее при отключении питания, а оперативные
данные и стек реализуют в оперативном
запоминающем устройстве.
СПИСОК
ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Гуров, В.В. Микропроцессорные системы: Учебное пособие / В.В. Гуров. - М.: Инфра-М, 2013. - 318 c.
Иванов, В.Н. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник / В.Н. Иванов. - М.: Academia, 2012. - 303 c.
Калашников, В.И. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для студ. учреждений высш. проф. обр. / В.И. Калашников, С.В. Нефедов. - М.: ИЦ Академия, 2012. - 368 c.
Коледов, Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебное пособие / Л.А. Коледов. - СПб.: Лань, 2008. - 400 c.
Микушин, А.В. Цифровые устройства и микропроцессоры / А.В. Микушин. - СПб.: BHV, 2010. - 832 c.